xiv cbe - mesa 2 - mario veiga - 23 outubro 2012
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ENFRENTANDO A TEMPESTADE PERFEITAUsinas a Fio d’Água, Renováveis e Mudanças Climáticas
1
XIV CBE
Rio, 23 de outubro de 2012
Mario Veiga Rafael Kelman
Tarcisio [email protected]
Brasil: histórico de energia renovável
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Marmelos-MG (1889)
Fontes-RJ (1904)
24 MW
Parnaíba-SP (1901)
► Capacidade instalada: 120.000 MW
► Hidro: 75% da capacidade, 85% da produção de energia
Usinas em diversas bacias e com grandes reservatórios
Usinas em “cascata” com diferentes proprietários
Brasil: situação hidrelétrica atual
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CEMIG
FURNAS
AES-TIETÊ
CESP
CDSA
Consórcios
COPEL
TRACTEBEL
ITAIPUBinacional
Rio Grande
Rio Paranaíba
Rio Tietê
Rio Paranapanema
Rio Iguaçu
CEMIG
FURNAS
AES-TIETÊ
CESP
CDSA
Consórcios
COPEL
TRACTEBEL
ITAIPUBinacional
Rio Grande
Rio Paranaíba
Rio Tietê
Rio Paranapanema
Rio Iguaçu
Source: ONS
Owner:
Um portfólio de hidrelétricas, eólicas e biomassa permite combinar economia de escala e flexibilidade
►Projetos de menor porte Diversifica os riscos de construção
e outros
►Espectro de investidores Capital local Fundos de investimento estrangeiros
►Menor tempo de construção Contrabalança a incerteza no crescimento da demanda
Futuro: portfólio de energia renovável
4
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
5,500
2008 2009 2010 2011 2012 2013
Capa
cida
d In
stal
ada
(MW
)
5
Source: PSR
Capacidade instalada de bioeletricidade
298
164
131 144
100 100
0
50
100
150
200
250
300
350
Proinfa LER 2009 LER 2010 LFA 2010 LER 2011 A-3 2011
Pric
e (R
$/M
Wh,
aug
ust 2
011
valu
es)
Eólicas: a boa surpresa nos leilões
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Complementaridade regional
7
Norte:Hidreletricidade
Nordeste:Energia eólica
SE/ CO:Bioeletricidade
Sul:Energia eólica
Sinergia hidrelétrica, biomassa e eólica
Os reservatórios das hidrelétricas e a rede de transmissão são usados para modular a produção de energia da biomassa e eólica (não é necessário backup como em outros países)
Os reservatórios das hidrelétricas e a rede de transmissão são usados para modular a produção de energia da biomassa e eólica (não é necessário backup como em outros países)
A biomassa e eólica “devolvem o favor” gerando mais no período seco das hidrelétricas(reservatório virtual)
A biomassa e eólica “devolvem o favor” gerando mais no período seco das hidrelétricas(reservatório virtual)
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Desafios
1. A questão dos reservatórios
2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências
3. Usos múltiplos
4. Licenciamento ambiental
5. Percepções equivocadas
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Desafios
1. A questão dos reservatórios
2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências
3. Usos múltiplos
4. Licenciamento ambiental
5. Percepções equivocadas
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Por que as renováveis são competitivas no Brasil?
► No resto do mundo, as renováveis requerem subsídios
120 bilhões de Euros na Alemanha
► Razão: flutuações da produção de energia
Na Alemanha, é necessário ter 30.000 MW (!) de usinas térmicas de
“backup” para compensar a variação do vento
Por que o Brasil é diferente?
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Resposta: reservatórios + transmissão
► Os reservatórios das hidrelétricas compensam as flutuações
na produção das eólicas e a sazonalidade da biomassa
Requer uma rede de transmissão robusta, que já foi construída para
as hidrelétricas
Os “armazéns de energia” das hidrelétricas
são essenciais para a
viabilidade econômica das renováveis
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0.51
0.06
0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 0.08 0.08 0.080.06 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04
0.02 0.01 0.01 0.000.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
Área
Inun
dada
/Pot
ênci
a In
stal
ada
(km
2/M
W)
A proibição dos reservatórios
A relação área/potência média das novas usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW
A relação área/potência média das novas usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW
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As mega usinas a fio d’água
► Os três maiores novos projetos hidrelétricos do país – Santo
Antônio e Jirau, no Rio Madeira, e Belo Monte, no Xingu,
totalizando 18 mil MW de capacidade, são usinas “a fio
d’água”
► Isto não resultou de uma otimização econômica dos
projetos, e sim de restrições socio-ambientais
► A variabilidade das afluências a estas usinas é muito maior do
que a das usinas atuais
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Média da energia afluente mensal - Sudeste
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
GW
h
A energia afluente no mês mais “molhado” é 3,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”
A energia afluente no mês mais “molhado” é 3,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”
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EAF média mensal – usinas do rio Madeira
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
GW
h
A energia afluente no mês mais “molhado” é 7,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”
A energia afluente no mês mais “molhado” é 7,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”
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EAF média mensal – Belo Monte
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
GW
h
A energia afluente no mês mais “molhado” é 25 vezes maior do que a do mês mais “seco” (!)
A energia afluente no mês mais “molhado” é 25 vezes maior do que a do mês mais “seco” (!)
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68 69 7380 83
8895
0
20
40
60
80
100 Vazão média futura como % da atual
Hidrelétricas e mudança climática
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Como gerenciar a volatilidade das afluências e das renováveis sem reservatórios?
► Com mais geração termelétrica
Compensa a falta de transferência de energia dos períodos úmidos
para os secos
► Isto resulta em maiores níveis de emissão
Nível de emissão em 2010: 22 tCO2/GWh de consumo
Nível de emissão em 2020: 72 tCO2/GWh de consumo
A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de regularização nos próximos dez anos levará a um aumento de 230% na emissão unitária de CO2
A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de regularização nos próximos dez anos levará a um aumento de 230% na emissão unitária de CO2
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A biomassa e eólica podem substituir as térmicas?
► Como visto, as usinas a biomassa e as eólicas da região
Nordeste produzem mais energia nos períodos secos
► Portanto, elas compensam em parte a transferência de
energia dos reservatórios
► No entanto, tanto a biomassa como as eólicas não são
despacháveis
Esta função era exercida pelos reservatórios, e com a redução dos
mesmos, terá que ser exercida pelas termelétricas
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O dilema do planejamento
► Os estudos atuais de inventário eliminam a priori usinas com
reservatórios
Não há qualquer análise de tradeoff energia x impacto
ambiental
É como se os custos ambientais fossem infinitos, isto é, nem podemos
saber o que estamos ganhando ou perdendo
► Seria possível avaliar objetivamente estes tradeoffs?
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22
Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais
1.Pré-processamento
2.Otimização da divisão de quedas
3.Resultados
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Pré-processamento
• Sistema de Informações Geográficas (GIS)
Modelo 3D do terreno
Inferência da rede de drenagem e identificação do rio
Definição dos locais candidatos
Curvas cota x área x volume para cada local
Simulação da áreas inundadas para diferentes quedas
• Regionalização das séries de vazões para os locais
candidatos
• Aplicação do manual de inventário para dimensionamento
das estruturas e cálculo automático de orçamentos
Modelos Digitais de Elevação (MDE)
► Representação 3D de uma superfície O modelo digital é representado internamente por uma matriz regular de células
Cada célula contêm a altitude associado a uma determinada coordenada
► MDEs disponíveis publicamente
ASTER GDEM – Global Digital Elevation Model
• Fonte: NASA
• Resolução espacial(*): 30 metros
SRTM
• Fonte: NASA
• Resolução espacial: 30 metros
(*) Dimensão de cada célula da matriz do modelo.
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MDE – Visão 3D
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Inferência da rede de drenagem em resumo
► Funções de geoprocessamento aplicadas ao modelo digital de elevação para
inferir a rede de drenagem
Modelo Digital de Elevação Rede de drenagem
Funções GEO
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Identificação do rio e definição dos locais candidatos
► Exemplo Rio Ivaí, Paraná.
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Locais candidatos
► Seções transversais e definição das barragens em cada local:
Barragem
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Locais candidatos
► Alternativas de barragens em cada local:
► Local: 22
► Queda Bruta: 10 metros
► Reservatório:
Área : 20,4 km2
Volume: 75,4 Hm3
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Locais candidatos
► Alternativas de barragens em cada local:
► Local: 22
► Queda Bruta: 20 metros
► Reservatório:
Área : 58,8 km2
Volume: 447,9 Hm3
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Perfil longitudinal e curva cota área do reservatório
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Definição e orçamento dos candidatos
1. Para cada local e altura de queda a simula-se a
construção de usina com arranjo pré-definido.
2. Análise da potência a ser instalada
3. O Manual de Inventário é utilizado para dimensionar as
estruturas
4. Um orçamento é feito para este projeto (SISORH)
O procedimento é repetido para cada local, alternativa de
queda e arranjo de engenharia.
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Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais
1.Pré-processamento
2.Otimização da divisão de quedas
3.Resultados
Problema de otimização
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► Maximização do PIB hidroelétrico da bacia hidrográfica
Análise benefício x custo onde o benefício é a valoração da
energia firme do conjunto de usinas por preço exógeno e custo
inclui obras civis, equipamentos, custos sócio ambientais, etc.
As variáveis de decisão incluem decisões de investimento
(projetos a construir) e decisões operativas (volumes
armazenados, vertimentos,. produção mensal, etc.)
Restrições socioambientais, interferência entre projetos, etc.
Abordagem: formulação como grande problema de
otimização não linear inteira
Estudo de caso: Rio Ivaí (Paraná)
► Solução:7 usinas (690 MW de potencia)
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Local (#)NA Max
Operativo (m)
NA Médio do Canal de Fuga
(m)
Queda Bruta (m)
Capacidade Instalada
(MW)
18 301 285 16 103
23 326 301 25 138
34 356 337 19 76
40 381 356 25 89
48 405 381 24 83
55 463 405 58 153
76 502 471 31 48
Divisão de quedas (plano)
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